APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA-2

A evolução das redes industriais para a Internet das Coisas (IIoT) aplicada a gestão dos processos na indústria 4.0.

Parte 2.

PARTE  1       –     PARTE  2      –    PARTE 3

Temas semelhantes: Computação na Nuvem; a Tecnologia nos Esportes; Tecnologias Emergentes em 2016; A Inteligencias artificial é Perigosa?  Encontro Técnico Estudantil ISA-ES – Tema: Robótica 2013.

Na primeira parte deste artigo foi falado sobre: Sistemas em rede, protocolos de rede industriais, protocolo IPv6 e OPC UA.

Nesta segunda parte falaremo sobre: Dispositivos inteligentes, tecnologias RFID e sistemas ON-A-CHIP,  sobre a nova geração da manutenção, Gestão de Ativos e automação de sistemas elétricos.  Na próxima semana será publicada a terceira e última parte deste artigo sobre o uso da Internet das Coisas na Industria 4.0.

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DISPOSITIVOS INTELIGENTES

iiot-parte-2-j-pretoAlguns objetivos específicos das mudanças trazidas pela era da Indústria 4.0 no uso das redes são propiciar a comunicação máquina-máquina, o monitoramento de indicadores de performance dos equipamentos, a adequação dos sistemas de controle a mudanças operacionais na produção e propiciar uma antecipação e otimização da manutenção.

Os chamados “Smart Device” ou dispositivo inteligente na indústria é o nome que se dá ao instrumento ou dispositivo de modo geral que além de sua função principal específica, realiza auto diagnóstico e se comunica por algum protocolo definido com informações de seu status e permitindo parametrização remota.

Instrumentos inteligentes também podem reduzir as interrupções, informando aos operadores de centrais, de uma anomalia antes de uma falha total do instrumento. Falhas definitivas são fáceis de detectar, com a maioria dos tipos de dispositivos de medição, mas apenas instrumentos inteligentes podem detectar problemas sutis que podem gerar medições imprecisas e muitas vezes são um prelúdio ao fracasso.

Normalmente, os recursos de diagnósticos estão associados ao hardware dos equipamentos e ao tratamento pelos softwares que gerenciam as informações disponibilizando-as ao usuário. O objetivo principal para o usuário é a redução do tempo de parada quando esta for exigida em uma condição extrema de falha ou antecipadamente prever o melhor momento da mesma, causando o menor impacto ao processo e a um custo efetivo interessante.

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A figura acima mostra a conexão plug-and-play proposta pela norma IEEE 1451.

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A definição de um instrumento “inteligente” tem evoluído ao longo das últimas décadas. Os primeiros instrumentos verdadeiramente “inteligentes”, podiam processar o sinal de 4-20 mA da variável analógica em um sinal digital adequado para transmissão através de uma rede. O microprocessador local também poderia gerir outras tarefas no nível do instrumento, ou seja, calibração e diagnóstico. Atualmente, um instrumento inteligente é geralmente definido como um dispositivo que inclui uma ou mais opções de comunicação de rede digital. Porque o fornecimento de comunicações digitais requer um microprocessador, uma vasta gama de outras capacidades são também tipicamente fornecidas com um instrumento inteligente moderno

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A figura acima mostra o diagrama em blocos da terceira geração de transmissores de temperatura com comunicação HART.

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Um exemplo de uso de Instrumentação Smart são os modernos posicionadores de elemento final de controle, que permite comunicação via redes de campo (fieldbus) e funções adicionais como diagnóstico e acesso remoto aos parâmetros de configuração.

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A figura acima mostra um exemplo de posicionador smart ligado a uma rede de campo para acesso a configuração e diagnósticos.

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Com o uso de posicionadores smart, é possível por exemplo habilitar as seguintes funções: Comparação e ajuste de parâmetros; obter o gráfico de “assinatura dinâmica” da válvula; monitorar o status de alarmes e fazer diagnósticos de performance e falhas; consultar histórico e fazer auditorias; programar inspeções com relatórios; acessar documentos como manuais e lista de peças.

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A figura acima mostra os blocos da tecnologia FDI, embarcada em dispositivos e no servidor, usada para melhorar a intercambialidade na comunicação e integração de dispositivos e instrumentos smart com comunicação em rede.

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Por outro lado, em artigo da revista Intech de julho/2016, Glenn Schulz, diretor do grupo FDT, faz a defesa de sua tecnologia de integração de dispositivos, afirmando que o FDT/DTM contribui para a integração de ativos e fornecer dados de desempenho para a excelência operacional. Segundo ele, a tecnologia FDT é um sistema aberto desde sua criação, integra qualquer dispositivo, sistema ou rede em uma arquitetura de automação. O FDT usa a os conceitos da IIoT e da Indústria 4.0 para ajudar a realizar a descentralização, a interoperabilidade e a integração, inclui instalações híbridas que combinam as duas formas de automação, equilibrando as necessidades de processo e automação de fábrica.

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A figura acima mostra os requisitos desejáveis genericamente para uma tecnologia de integração de dispositivos de automação.

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A tecnologia FDT é um software aplicativo, baseado num Windows Host, que disponibiliza interfaces com periféricos e protocolos de comunicação, usada para integrar dispositivos de campo aos sistemas de controle. O FDT é compilado para manipulação específica de dispositivos, onde se instala o DTM “dentro” desta ferramenta, com objetivo de gerir este ativo, disponibilizando interfaces com periféricos e protocolos de comunicação. Recentemente o grupo FDT lançou a sua atualização da tecnologia de integração com o FDT/OPC UA.

Dessa forma a indústria 4.0 traz uma revolução, ainda não muito bem pacificada e em desenvolvimento, na indústria que transcende a automação, interagindo a operação da planta e com a engenharia de manutenção dos equipamentos, com segurança da informação e principalmente os sistemas de monitoramento e gestão.

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A figura acima mostra padrões de tecnologia aberta com interoperalidade vertical e horizontal para a indústria. Fonte: Intech 11/2016.

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Para Bill Lydon, o que se denomina de “computing edge”, que são dispositivos de borda de rede ou periféricos, incluindo switches de Ethernet, sensores, atuadores e câmeras de vídeo, estão incorporando plataformas de computação aberta, embarcadas, que permitem aos usuários fazer download de aplicativos executáveis. A computação embarcada em dispositivos periféricos, sensores e atuadores possibilita a análise de sistemas e regras de funcionamento da rede no campo.

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TECNOLOGIA RFID

A sigla vem de “Radio-Frequency IDentification”. É utilizado na transferência de dados sem fio em: hospitais, veículos, implantes humanos, na indústria, em esportes, automação comercial, segurança, identificação animal, na manutenção e etc. É um método de identificação automática através de sinais de rádio, recuperando e armazenando dados remotamente através de dispositivos denominados etiquetas RFID. Uma etiqueta ou tag RFID é um transponder, pequeno objeto que pode ser colocado em uma pessoa, animal, equipamento, embalagem ou produto, dentre outros.

O vídeo abaixo da Allen Informática, mostra o desenvolvimento de dispositivos de tecnologia RFID.

A etiqueta RFID contém chips de silício e antenas que lhe permite responder aos sinais de rádio enviados por uma base transmissora. Além das etiquetas passivas, que respondem ao sinal enviado pela base transmissora, existem ainda as etiquetas semi-passivas e as ativas, dotadas de bateria, que lhes permite enviar o próprio sinal. São bem mais caras que do que as etiquetas passivas.

O vídeo abaixo mostra a utilização de etiquetas com tecnologia RFID em mercadorias de lojas.

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SISTEMAS ON-A-CHIP

Sistemas ON-A-CHIP, são pastilhas microprocessadas de alta integração, semelhantes a microcontroladores, onde se embarca funções específicas para uma determinada função num único chip, com funções digitais, analógicas, memória RAM, CPU, unidade lógica, comunicação e até sensores.

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Acima um LOC – Lab-On-Chip, que são pequenos dispositivos que lidam com a amostragem, a introdução do reagente, e a análise, podem reduzir a dosagem de reagentes e erros de protocolo, reduzir a utilização de reagentes e amostra, e evitar a contaminação da amostra ou infecção do utilizador.

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Para Bill Lydon, as novas tecnologias da IoT, padrões abertos de comunicações (voz, dados e vídeo), computação (smartphones, tablets, computação na nuvem), computação embarcada (aparelhos inteligentes, pessoal rastreadores de fitness) e sensoriamento (sistemas microeletromecânicos, GPS) representam uma força de alavancamento de inovações. Para ele a integração de todas essas funções em computadores single-chip está aumentando dramaticamente as capacidades e reduzindo os custos. A maioria está em aplicações de alto volume no negócio para negócio, empresa ao consumidor, e do consumidor para consumidor.

O vídeo abaixo, de uma palestra do TED, Geraldine Hamilton fala sobre a tecnologia La On a Chip.

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Sobre os dispositivos de consumo em geral Bill Lydon diz que sensores colocados em seres humanos abre possibilidades para melhorar a utilização de recursos, produtividade e segurança. Ele cita a tecnologia wearable, incluindo óculos interativos, os dados são exibidos em tempo real, e com a possibilidade de assistência em tempo real de especialistas remotos.

O vídeo abaixo, do Institute for Nano Technology – INBT, fala sobre a tecnologia Lan On a Chip.

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A NOVA GERAÇÃO DA MANUTENÇÃO INDUSTRIAL

A norma NBR-5462(1994) define manutenção como “a combinação de todas as ações técnicas e administrações, incluindo as de supervisão, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida”.

Se fosse possível, seria melhor que não houvesse manutenção, que a equipe de produção focasse apenas na otimização e qualidade dos produtos fabricados, no entanto os equipamentos têm limitações e se desgastam com o tempo. Com isso um grande esforço é aplicado na redução dos custos dos serviços de manutenção e melhoria do atendimento. Na planta industrial existem muitas oportunidades para otimizar a manutenção, melhorando o tempo de operação dos ativos por meio de técnicas de manutenção preditiva e usando dados da “saúde” das máquinas. Há também oportunidades significativas para melhorar o desempenho da produção, a segurança do trabalhador e eficiência, qualidade e capacidade de resposta.

De modo geral pode-se afirmar que a engenharia de manutenção é responsável pelo planejamento dos serviços e gestão do ciclo de vida dos equipamentos, pela análise das falhas e conservação dos instrumentos e sistemas instalados na planta e pela aplicação de boas práticas normalizadas nas intervenções de manutenção com o objetivo de melhorar a segurança, aumentar a performance operacional dos equipamentos, garantir a precisão das medições, reduzir os custos dos serviços, atender aos prazos de execução e aumentar a confiabilidade das instalações.

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A figura acima mostra um gráfico do ciclo de vida de equipamentos de uma planta industrial com e sem gestão de ativos, com variação do custo por tempo de operação.

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Estamos no limiar de mudança da terceira geração da engenharia de manutenção para a quarta geração, o que implica no uso cada vez mais acentuado de ferramentas de TI e de técnicas de confiabilidade. Veja a seguir uma mostra das características dos dois paradigmas:

Terceira geração da Engenharia de Manutenção (de 1980 até 2000)

  • Monitoramento das condições.
  • Disponibilidade e Facilidade da Manutenção
  • Microcomputadores rápidos
  • Sistemas Especialistas, trabalho em equipe mais flexível
  • Análise de Riscos, Modo de Falha e seus efeitos
  • Segurança, Qualidade e Meio Ambiente

Quarta geração da Engenharia de Manutenção (de 2000 até a atualidade)

  • Gestão de Ativos e Recursos Humanos.
  • Desenvolvimento sustentável.
  • Responsabilidade Social.
  • Convergência das tecnologias da informação e de automação (TI+TA).
  • Industrial Internet das Coisas (IIoT).
  • Manutenção centrada na confiabilidade.

O vídeo abaixo da série Telecurso, fala sobre os conceitos da manutenção preditiva usada nas grandes máquinas.

Assim como no âmbito operacional utiliza-se o indicador OEE (Overall Equipament Effectivences) para avaliar a performance, a engenharia de manutenção monitora desde a década de 1980 vários KPIs (Key Performance Indicator) para avaliar o desempenho, evitar falhas em equipamentos e otimizar o atendimento, os mais importantes que afetam no custo do serviço são a disponibilidade e confiabilidade da manutenção. Sistemas de gestão dos ativos (EAM-Enterprise Asset Management) integrados a sistemas de gestão da manutenção podem ajudar a levar a manutenção para ações preditivas e à pratica da manutenção centrada na confiabilidade (RCM).

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Para Bill Lydon, a tecnologia “Analytics Cloud” pode ser usada para manutenção preditiva e otimização, representa uma forma de fornecer uma análise poderosa sem ter que investir em computação local.

No campo dos serviços há uma grande demanda de revisões a serem feitas para se adequar a indústria 4.0, com o uso da internet das coisas e gestão de ativos. Para ter uma rápida visão temos: Todos os procedimentos operacionais e de manutenção, revisão dos planos de manutenção, estudo de análise de falhas e construção de troubleshootings, revisão da estrutura dos códigos de falhas dentro do sistema de gestão (CMMS-Computerized Maintenance Management System), análise crítica e depuração do banco de dados de manutenção e etc. A questão de indicadores, de transição do modelo de gestão, de otimização e melhoria de performance e mudança de procedimentos operacionais e de manutenção, está muito ligada ao sistema de governança da implantação da gestão de ativos e da IIoT na indústria 4.0.

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GESTÃO DE ATIVOS

Em artigo publicado em 2015 no site da C3, comenta-se sobre essas mudanças, segundo a empresa: “Para o trabalhador, as vagas de trabalho serão reduzidas e exigirão uma carga maior de conhecimento e especialização. Faculdades terão formações específicas para cada tipo de função. O operador terá de melhorar também a forma com que se relaciona com as pessoas, a maneira de falar ou se portar. Ele não trabalhará apenas em seu posto, também estará em constante contato com outros setores e cargos, que hoje, são responsabilidades de cargos de liderança ou gerência. Os salários serão maiores, bem como a carga efetiva de trabalho”. São tentativas de previsão de um futuro que deve pode ocorrer e provavelmente se diferenciar com o contexto de cada país, de acordo com sua política econômica e de trabalho. A realidade nas indústrias brasileiras neste início de século XXI, é que encontramos presença de várias tecnologias de diferentes gerações (pneumática, analógica e digital) funcionando nas plantas industriais por aqui, e o profissional ainda tem que dominar com todas estas tecnologias ao mesmo tempo.

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A figura acima mostra um exemplo de blocos de um sistema E.R.P. (Enterprise Resource Planning).

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O sistema E.R.P. é projetado para integrar todos os dados e processos dos sistemas da empresa numa única plataforma permitindo a gestão em tempo real e interagindo com outros sistemas como C.R.M. (Customer Relationship Management) para o relacionamento com o cliente, se comunicando também com o sistema M.E.S. (Manufacturing Execution Systems), para integrar as informações do chão de fábrica com os sistemas de tomada de decisão e outros.

No vídeo abaixo, o noticiário “Arirang News” fala sobre a indústria coreana, o uso da inteligencia artificial e da revolução na indústria 4.0

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Algumas empresas brasileiras estão se aproximando do paradigma da indústria 4.0, em especial montadoras de automóveis e industriais de bebidas, que utilizam comandos discretos (on-off) e robôs em linhas de montagem, o que deve ter consequências em custos e na competitividade em geral, muito embora a indústria álcool açucareira também dá sinais de caminhar nessa direção.

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A figura acima mostra uma tela sinótica típica de um sistema M.E.S., com dados de produção e disponibilidade de máquina.

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O SETOR ELÉTRICO

A automação do setor elétrico, fora das grandes usinas geradoras, envolve sistemas como: Comunicação de IEDs; Gerenciamento de energia; Correção do fator de potência; Subestação compacta; Religadores automáticos; sistemas de controle de MT; softwares; IHMs; PACs; Sistemas de partida automática; Relés de proteção.

Com a da norma IEC 61850 para redes de comunicação e sistemas em subestações elétricas possibilita a aplicação de dispositivos inteligentes baseados em comunicação ponto a ponto de alta velocidade, com medidas distribuídas, controle, proteção e soluções baseadas em amostras de valores analógicos.

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A figura acima ilustra vários sistemas usados em controle e seleção em subestações de distribuição de energia elétrica.

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A norma IEC-61850 define um conjunto de regras de interoperabilidade entre protocolos, organizados por funcionalidade, que define o tipo das mensagens e ordem que elas devem ser trocadas para criar um padrão único de comunicação entre equipamentos numa subestação de energia elétrica, fluxo de dados e modelagem da informação. Cobre não apenas a comunicação, mas também propriedades das ferramentas de engenharia utilizadas e medições para gerenciamento da qualidade e da configuração dos Sistemas Automáticos de Subestações.

O sistema digital de automação de subestação visa prover os meios para operação e manutenção desta. Ele se caracteriza por dois níveis hierárquicos: o nível interface com o processo e aquisição de dados; e o nível de comando e supervisão também denominado Sistema Central.

No nível de interface com o processo encontram-se as unidades de aquisição de dados (UAC) e os outros equipamentos dedicados como os reles de proteção (digital ou não), os equipamentos de oscilografia, as unidades para intertravamento, e os controladores de equipamentos tipo compensador estático por exemplo.

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A figura acima mostra o painel de um IDE típico com IHMs, portas de comunicação, software de configuração e Leds de sinalização.

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Este sistema central é normalmente composto por vários microcomputadores ou estações de trabalho (workstation) ligados em rede de área local (LAN : Local Area Network). Os equipamentos digitais do nível de interface com o processo, se ligam ao Sistema Central diretamente na rede local ou através de processadores de comunicação encarregados de receber as informações e transmiti-las para a rede.

As subestações convencionais possuem vários tipos de automação, podendo-se destacar algumas delas como o comando de disjuntores e chaves da sala de controle, e os intertravamentos na operação de equipamentos, funções estas providas via reles eletromecânicos e lógica de contatos.

Segundo o site Eletric Light&Power, nos anos 1980 e 90, a proliferação de dispositivos eletrônicos digitais está presente desde as empresas geradoras de energia elétrica com potenciais tecnologias de medição, aos sistemas de comunicação e controle. Como cada fornecedor projeta utilitários e protocolos de comunicação mais adequado às suas aplicações, eles deram pouca atenção à facilidade de integração de tais sistemas com os outros.

As primeiras unidades terminais remotas (UTRs) recolhia dados analógicos de subestações e transmitia essa informação por canais de baixa largura de banda com pacotes de software proprietário em centros de controle. Eles eram caros, necessitavam de controle centralizado, e eram de dificil modificação.

No vídeo abaixo,  Melvin Jones da Rockwell msotra um CCM de baixa voltagem.

O setor elétrico também está adotando os novos paradigmas da indústria 4.0, com os modernos CCMs, formado por painéis de comandos que acomodam equipamentos para proteção, seccionadores e outros equipamentos de manobra de cargas, interligados a sistemas de distribuição de energia elétrica em unidades comerciais e industriais. Nos CCMs são instalados dispositivos com tecnologia FPGA, que substituem os tradicionais relês, são os IED (Intelligent Electronic Devices) que contém de forma embarcada, algum tipo de automação classificada como “inteligente”, conectados em redes em subestações de energia, conforme a norma IEC 60870-5 e UCA 2.0 (Utility Communications Architecture). São unidades multifuncionais para a proteção, controle, automação, medição e monitoramento dos sistemas elétricos, permitindo a concepção de lógicas de intertravamento e bloqueio, ou seja, funcionalidades em uma única caixa ou funcionalidades em dispositivos diferentes.

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Temas semelhantes: Computação na Nuvem; a Tecnologia nos Esportes; Tecnologias Emergentes em 2016; A Inteligencias artificial é Perigosa?  Encontro Técnico Estudantil ISA-ES – Tema: Robótica 2013.

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Não perca em janeiro a PARTE FINAL deste artigo, onde vamos falar sobre: limitações e dificuldades na implantação da Internet das Coisas na industria, a nova geração de robôs colaborativos, segurança da informação, capacitação profissional, normas para a IIoT e referências bibliográficas.

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  1. APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA-1 | ianalítica - 24 de dezembro de 2016

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